[發明專利]光學三維掃描儀及其使用方法

在審

• 申請號: 201680013215.4
• 申請日: 2016-02-01
• 公開（公告）號: CN107430194A
• 公開（公告）日: 2017-12-01
• 發明（設計）人: J·F·芒羅;M·F·弗雷;小J·B·里斯;C·奧勒
• 申請（專利權）人: 阿德科爾公司
• 主分類號: G01S17/89
• 分類號: G01S17/89
• 代理公司: 深圳市百瑞專利商標事務所(普通合伙)44240
• 代理人: 金輝

本申請案主張2015年1月30日遞交的第62/110,155號美國臨時專利申請案和2015年4月21日遞交的第62/150,705號美國臨時專利申請案的權益，所述申請案都通過引用以其全文在此并入。

技術領域

此技術大體涉及光學掃描裝置和方法，且更確切地說，涉及高速、高精度三維光學掃描儀及其使用方法。

背景技術

幾乎所有制造的物體在被制造后都需要得到檢查。觸覺感測裝置通常用于針對檢查進行所需的測量。然而，觸覺感測裝置可在精確地測量復雜裝置的能力方面受限，尤其是具有多個精密表面或無法由觸覺探頭容易地夠到的表面的裝置。已研發出用于制造中和制造后檢查的多種光學裝置。這些光學裝置中的許多光學裝置掃描零件的表面，且能夠在所述零件的有限距離或表面區域上確定所述零件的表面輪廓。

例如，考慮圖1中說明的現有技術光學掃描儀1。掃描儀1由耦合到導螺桿11和帶螺紋耦合器12的第一電機10組成，所述帶螺紋耦合器隨后耦合到第二電機7和多面鏡6。掃描儀1還包含激光器21、聚焦透鏡19以及圖像傳感器3。所有這些組件都包裝在外殼2中。在操作中，第一電機10使得帶螺紋耦合器12、第二電機7以及多面鏡6沿著軸線22左右平移。另外，第二電機7使得多面鏡6圍繞軸線22旋轉，且多面鏡6圍繞軸線22的角方向通過角編碼器8測量。激光器21在被激活時發射激光束20，所述激光束入射在旋轉的多面鏡6上，且所述激光束的反射束23通過窗口13離開外殼2。反射束23隨后入射在測試物體15上，所述測試物體的表面形貌將得到測量。

當第一電機10和第二電機7都被激活時，反射束23將在測試物體15的所關注區域上描繪出光柵圖案(未示出)。從測試物體15上的光柵圖案反射的反射光18隨后經過聚焦透鏡19，所述聚焦透鏡將反射光18引至在圖像傳感器3上的位置4處的焦點。已知焦點位置4，以及借助第二編碼器8知道第二電機7的旋轉位置且借助第一編碼器16知道第一電機10的旋轉位置，允許通過應用所屬領域中已知的三角測量算法來針對光柵上的每一位置計算測試表面15的高度“H_PO”。

現有技術中存在若干限制。第一，將激光器用作光源，所述光源由于激光中存在的高相干性程度而引入斑點噪聲。此斑點噪聲最終降低通過圖像傳感器3產生的信號的信噪比，并增加位置4的不確定性程度，且最終增加高度H_PO的不確定性程度。第二，跨越測試物體15掃描的光點具有非偏心橢圓或甚至圓形橫截面，其提供關于光點在測試物體15上的真正位置的最小信息，且其較小周界和在圖像傳感器3上的明顯位置可被存在于測試物體15的表面中或表面上的缺陷、污垢、刀痕等破壞。第三，三角測量算法的精度取決于第一編碼器8、第二編碼器16的電光機公差，以及多面鏡6的表面精度，所有這些公差和表面精度都難以或不可能得到精確地校準。第四，因為采用兩個電動機7和10，所以掃描儀1將消耗較大量的電功率，所述較大量的電功率使得掃描儀的內部升溫，這繼而使得掃描儀的內部組件由于外殼2的非零熱膨脹系數(CTE)而移動。確切地說，圖像傳感器3和聚焦透鏡19的移動將使得焦點位置4位于不正確的位置，且因此引起H_PO的錯誤計算。最后，同樣因為采用電機7和10，掃描儀1將不是緊湊的，且所述掃描儀將由于電機的有限使用壽命而遭受不良的可靠性。

發明內容

一種光學掃描儀包含位于外殼內的光源。具有孔口的分劃板定位在所述外殼內以接收從所述光源發射的第一光束。所述分劃板經配置以通過所述孔口透射第二光束。鏡子定位在所述外殼內以接收從所述分劃板透射的所述第二光束，并通過所述外殼中的第一窗口將所述第二光束反射到物體的所關注表面上。光接收器經配置以通過所述外殼中的第二窗口從所述物體的所述所關注表面接收第三光束，其中所述光接收器經配置以獲得一個或多個光位置值以確定所述物體的所述所關注表面的參數。

一種用于產生物體的三維圖像的方法包括提供光學掃描儀。光學掃描儀包含位于外殼內的光源。具有孔口的分劃板定位在所述外殼內以接收從所述光源發射的第一光束。分劃板經配置以通過孔口透射第二光束。鏡子定位在所述外殼內以接收從所述分劃板透射的所述第二光束，并通過所述外殼中的第一窗口將所述第二光束反射到物體的所關注表面上。光接收器經配置以通過外殼中的第二窗口從物體的所關注表面接收第三光束。光接收器經配置以獲得一個或多個光位置值以確定物體的所關注表面的參數。光學掃描儀相對于物體定位。第三光束通過光接收器從所關注表面接收。物體的所關注表面的參數基于來自所關注表面的接收到的第三光束來確定。